E5015焊条成分设计及焊接性能分析

1、题 目： E5015焊条药皮成分设计与工艺性能测试 学 院： 机械工程学院 专 业： 材料成型及控制工程 班 级： 0901 学 号： 200902150132 学生姓名： 李 世 春 导师姓名： 吴 安 如 完成日期： 2013年5月30日 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计

2、（论文）任务书 题目： E5015焊条药皮成分设计与工艺性能测试 姓名 李世春 学院 机械工程学院 专业 材料成型 班级 0901 学号 200902150132 指导老师 吴安如 职称 教授 教研室主任 李东锋 一、基本任务及要求：1查阅E5015焊条资料，了解E4303焊条熔敷金属的化学成分及药皮成分构成； 2选择E5015焊条常用药皮配方的原材料； 3对E5015焊条进行不同配比的药皮成分设计； 4用手工方法制备E5015焊条； 5对试验焊条进行焊接工艺性能试验试验； 6. 对试验焊条进行熔敷金属力学性能试验试验； 7. 总结焊条设计、制备的理论依据并撰写论文。 二、进度安排及完成时间：

3、 1. 3月2日3月21日，查阅资料、撰写文献综述和开题报告； 2. 3月22日4月4日，课题调研、资料收集、方案设计； 3. 4月5日5月2日， 绘制零部件图； 4. 5月3日5月23日， 撰写说明书； 5. 5月24日5月30日，将毕业论文送指导老师审阅、评阅老师评阅； 6. 3月31日6月5 日，毕业论文答辩和资料整理。 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 焊条11.1.1 焊条的组成11.1.2 焊条工艺性能及其影响因素31.2 碱性焊条在手工电弧焊中的发展现状61.2.1 提高交流稳弧性的途径71.2.2 改进脱渣性的途径81.2.3 提高引弧的途径81.2.4 发

4、展高效焊条的途径81.2.5 焊条降尘、降毒的途径81.2.6 焊条设计及制造的工艺探讨9第 2 章 试 验 过 程102.1试验焊条的制作102.1.1焊条制作前的准备102.1.2实验过程112.3 熔敷金属与焊缝金属132.4 焊条药皮成分设计142.4.1 试验内容及技术方案15（1）试验内容152.5 E5015碱性焊条试验162.5.1 实验设备：162.5.2 金相实验试样的制备17第3章 实验结果及分析19 3.1 E5015碱性焊条的检验193.2 分析造成不同焊接工艺性原因213.3 E5015碱性焊条熔敷金属组织分析21第 4 章 结论234.1 结论23致 谢24参考文

5、献25E5015焊条药皮成分设计与工艺性能测试摘要：本课题是在对E5015焊条药皮配方充分调研的情况下而开展的，因为在E5015焊条中其力学性能较好，工艺性能较差一直是公认的观点。而工艺性能主要是受焊条药皮成分的影响，故对基础配方药皮成分中的大理石和萤石在粒径和相对含量上做了稍许的变动，来研究工艺性能较原配方焊条是否有所改善。 经理论分析和实际验证发现：锰硅合金在酸性碳钢焊条中应用完全可行，硅能促进锰的过渡，且能减小焊条的飞溅；钛铁矿与石英砂恰当配合，焊条脱渣性能良好，夹杂物中Fe峰并无明显增高。 通过以上的研究，为E5015质量提升从技术到理论上提供了理论支持。据此可以研发出工艺性能综合指标

6、优良的新一代E5015产品。关键词：碱性焊条；药皮；金相组织；熔敷效率E5015 coating composition design and process performance testingAbstract:This topic is in the full investigation on E5015 coating formulation conditions and carry out, because in the E5015 electrode in its good mechanical performance, poor technology performance ha

7、s been generally acknowledged view. Process performance is mainly influenced by the coating composition, the basic formula of coating materials of marble and fluorite in the particle diameter and the relative content of made some changes, to study the process performance is better than the original

8、prescription of the electrode is improved.Through the detection of the high speed wire rod LH08A, found that there are bulk aluminosilicate complexes is larger, and the nitrogen content is 8 times than traditional H08A. The theoretical analysis and practical verification found: manganese silicon all

9、oy in acidic carbon steel electrode in the application of feasible, silicon can promote manganese's transition, and can decrease the welding spatter; ilmenite and quartz sand mix properly, slag detachability is good, there is no inclusions significantly increased Fe peak.Through the above resear

10、ch, E5015 quality improvement from technology to theory provides theoretical support. It can be developed a comprehensive index excellent technological performance of a new generation of E5015 products.Keywords:alkaline electrode;coating;the microstructure;deposited efficiency;第1章 绪 论1.1 焊条焊接材料包括焊条和

11、焊丝，基于如下的原因，本论文以焊条作为研究对象。在中国，焊接材料仍以焊条为主，其应用比例仍高达70以上1；该焊接材料目的是提高焊缝的硬度、耐磨性和抗裂性，特别是应用于焊缝应力集中区域的焊缝，这些焊缝往往是不规则的；焊条制作方法简单灵活，数量可多可少，在熔敷金属化学成分调试阶段，焊条是最佳的选择。由于所研究的焊条其熔敷金属在冷却到较低的温度后(在350以下)才发生相变，所以焊条取名为低相变点焊条。1.1.1 焊条的组成 焊条由焊芯和附着在其上的药皮两部分组成，焊条药皮与焊芯重量之比称为药皮的重量系数。一般酸性药皮焊条的重量系数约为35，碱性药皮略低于此值，而堆焊焊条则较高，可在160左右。利用厚

12、的药皮可过渡大量合金元素，也有用重量系数为1-20的薄皮焊条，药皮仅起引弧、稳弧作用。(1) 焊芯 焊芯的化学成分和性能直接影响焊缝金属的性能与质量，焊芯有碳素钢的，不锈钢的，以及特殊选用的，一般焊芯是专门炼制的，不同于普通建筑用钢丝，主要是对碳和硫、磷等杂质方面有较严格限制。多量合金元素使钢材难于拉拔成丝，所以对于一些极特殊的焊条，找到一种合适的焊芯往往比较困难，有时成为研究某种特殊焊条的关键。 最普通的低碳钢焊芯是H08A，一般的酸性焊条、碱性焊条都用此芯，“H”表示焊条用钢丝的的“焊”字汉语拼音的第一个字母，“08”表示焊芯的平均含碳量为0.08，“A”表示优质钢，含硫、磷量少。如果最后

13、一位字母由“A”变为“E”，表示特级钢丝，含硫、磷量更少。 碳的含量越高，则焊缝出现气孔和裂纹的倾向越大，当碳含量大于0.10.14时，就可能引起碳的严重偏析，并易产生结晶裂纹，使焊缝的冲击韧性和塑性急剧下降，同时因碳氧化会产生大量一氧化碳而很易引起飞溅，或留在焊缝中形成气孔。所以，在一般焊接材料中，希望含碳量越低越好，如“H08A”焊芯即要求碳含量小于0.10，对于耐磨堆焊焊条和铸铁焊条来说，含碳量就可能很高2。 锰是很好的脱氧剂和掺合金剂，有脱硫作用。实验证明，在焊接低碳钢的条件下，锰含量为0.5左右时脱氧效果最佳。因此“H08A”焊丝中锰含量控制在0.300.55之间。 硅是一种强烈的还

14、原剂，在焊接过程中能生成SiO2，增加熔渣的酸度与黏度，使焊缝中易产生气孔和夹渣，并且焊芯中硅含量增高可增加电阻率，使焊条在焊接易于发红，影响焊接质量，因此在焊丝中要求含硅量越低越好，“H08A”焊丝控制在0.03以下。 硫、磷都是有害杂质，它不但能降低钢的性能，而且还会使焊缝产生气孔和裂纹，因此须严加限制。“H08”和“H08A”焊丝硫磷含量分别控制在0.04和0.03以下。 由于冶炼和脱氧方法的不同，往往在焊芯中混入某些非金属夹杂物，如Si02等，若这些夹杂物的数量足够大时，对焊条的导电性、稳弧性也会有一定的影响。 此外，焊芯在拉拔过程中冷作硬化程度对焊芯的导电性也有影响，冷硬程度愈高，则

15、导电性愈差，焊条愈易发红。根据焊条大小和类型不同，焊芯在制造焊条时均切成一定的标准长度，可查阅有关规定，焊芯长度允许偏差为±2mm，焊芯直径允许偏差为±0.05mm3。(2) 焊条药皮 黏结在焊芯上各种粉料和黏结剂的混合物称为药皮，未涂挂之前的混合物称为涂料，按其在焊接过程中所起的作用，可以分为以下几种： a.稳弧剂：用以稳定电弧，主要是一些易电离的碱及碱土金属化合物和金属矿物，前者如碳酸钾、碳酸镁、白垩土、大理石、长石、云母、纯碱、金红石等，后者如钛铁矿、赤铁矿等。 b.造渣剂：用以造成一定数量具有一定物理化学性能的熔渣，覆盖着熔化金属，保护溶池，隔离大气的不良影响，并使

16、焊缝冷却速度缓慢，改善焊缝的成型，最常用的是某些金属矿物、岩石、氟化物，如金红石、白泥、赤铁矿、钛铁矿、大理石、石英砂、长石、萤石、云母等。 c.造气剂：用以造成一定量气体排除大气对溶池的有害作用，保护熔化金属，且有助于熔滴的过渡，常见的是有机物和碳酸盐，如木粉、竹粉、淀粉、大理石、菱苦土等。有机物所造成的气体主要是CO和H2，碳酸盐析出的气体为C02，在高温时进一步分解为CO。 d.脱氧剂：用以降低药皮和熔渣的氧化性并脱除金属中的氧。低碳及低合金钢焊接时常用锰铁、硅铁、钛铁、铝粉等，但酸性焊条不用硅铁脱氧。 e.合金剂：用以焊芯或母材中的合金或补充在焊接过程中合金的烧损。低碳钢焊条主要的元素

17、是锰，合金钢焊接则应按其相应成分予以添加，如硅，钼等。 f.黏结剂：用以调和药粉并牢固地黏结在焊芯上，一般说来酸性焊条常用钾钠混合水玻璃，碱性焊条常用钠水玻璃，由于水玻璃中含有钾、钠等低电离电位元素，所以除起黏结作用外，不可以起到稳弧作用。 g.增塑性：用以改善焊条的压制性能，以便于用机器压制焊条，如钛白粉、白泥、云母、糊精等，可以增加药粉的塑性、弹性和滑性，使焊条表面光滑而不开裂。 h.稀释剂：用以稀释熔渣，改善渣的流动性，如萤石、金红石、精选钛矿、锰矿等。一般的涂料焊条中都需考虑加入10种左右的组成物起到以上作用，但可看出某些组成物能起多种作用，如大理石可以稳弧、造气和造渣。耐磨堆焊焊条的

18、特点一般是要求堆焊金属中有较高的含碳量。所以在药皮配方中加入56以上石墨(碳)后，无需加入其它矿石粉、有机物等，它能起到稳弧、造气、脱氧、增塑等作用。1.1.2 焊条工艺性能及其影响因素 焊条的工艺性能主要指引弧、稳弧及再引弧性能、焊缝成型、脱渣性、飞溅、熔化效率、析出有害气体成分及数量、各种位置焊接的适应性、焊条药皮发红、焊接烟尘等。（1）焊条的稳弧性 焊条的稳弧性可由电弧引燃难易和引燃后电弧的状态来评定。用10根新焊条，每根与工件接触一下引弧，引燃根数越多则引弧性能越好。断弧后再引弧时，若药皮套筒不敲碎即可起弧为最好，药皮套筒敲碎后才可引弧者次之，敲碎后也不能引弧者最差。电弧的状态以弧长变

19、动时电弧是否稳定，断弧前的最大电弧长度，焊接速度变动时电弧的摇摆情况和电弧吹力的强弱来判断。碱及碱土金属电离电位比较低，所以常用含钾钠的物质做稳弧剂。（2）焊缝成型 焊缝成型的优劣以肉眼观察来判定的，要求焊缝均匀，与母材熔合情况表面鳞纹细密无“麻点”等缺陷，它除取决于焊工的操作水平以外，主要取决于药皮的熔化状态与深渣的凝固温度范围、黏度、表面张力等。 药皮的熔化状态与熔渣的凝固温度对成型影响。药皮是多种物质的机械混合物，它们在形成熔渣的过程中，各组成物之间发生了相互作用，形成复合化合物、共晶体等多元体进行的。我们所指的药皮熔点是指药皮开始熔化的温度(即造渣温度)，而熔渣的温度则是指熔渣转变为固

20、态的温度(是一个温度区间)。药皮熔点过高，焊条末端形成的“套筒”过长，则焊接时易断弧，还会药皮成块脱落，推动保护作用或落入熔池形成夹渣。相反，药皮熔点过低，则熔化过早，成渣很稀容易流失，并使焊缝推动保护作用。同时熔点过低，形成“套筒”太短或不形成“套筒”，则熔点低于焊丝熔点150-250。 熔渣的凝固温度过高则凝固过早，影响冶金反应的充分进行，甚至造成渣压铁水，使焊缝成型不良，产生气孔，不易脱渣等缺陷。焊缝表面产生“麻点”也是由类似原因造成的。熔渣凝固温度过低，则熔渣对焊缝起不到限制成型的作用，促使焊缝成型不良，同时还延长了熔渣与已凝固的焊缝表面金属作用时间，使脱渣性能变坏。 药皮熔点的高低决

21、定于药皮组成物的种类和它们的粒度。药皮组成物的熔点越高，粒度越大，药皮的熔点也越高。熔渣的凝固温度取决于其成分4。 熔渣的黏度和表面张力对成型的影响。黏度是液体分子之间内摩擦力的表现，在熔渣化学成分一定的情况下，黏度主要取决于温度，通常随着温度增加，渣液黏度下降。但熔渣的化学成分不同时，其黏度变化是不同的，通常碱度小的熔渣，黏度随温度增加是逐渐变小的。而碱度大的熔渣随温度增加，黏度则急剧下降。在焊接温度下，熔渣黏度越小，流动性越大，熔渣也愈活泼，冶金进行得愈充分。但黏度过小，则会造成满渣，使渣不能完全覆盖于焊缝上，减弱冶金的进行并推动对金属的保护作用。相反若渣过黏，亦会使冶金反应缓慢，焊缝成型

22、变差。焊接熔渣黏度ll通常要求在1500时为0.15Pa.S左右，立仰焊时可略高一些。 熔渣表面张力及其与温度的关系，对焊缝表面成型也有很大的影响值为0.3-0.4Nm为好，并希望在温度下降时能迅速增大，以保证熔渣在液态时能均匀覆盖于熔池上；而在熔池冷却结晶时，又能急剧增大表面张力，约束焊缝成型。（3）焊条的脱渣性 焊缝表面的熔渣在焊后是否容易除去，是评定焊条(或焊剂)质量的主要指标之一。脱渣性的好坏，可以用小锤敲击方法来进行比较，若脱渣困难，会显著降低生产率，尤其是多层焊和连续自动堆焊更为严重。此外，脱渣不净还容易造成杂物等缺陷。影响脱渣性的主要因素有：熔渣的膨胀系数、熔渣的氧化性与松脆性以

23、及焊接工艺条件等。 熔渣的氧化性越强，则形成的氧化物越多，脱渣越困难。实践证明，加强脱氧对改善脱渣性是有好处的。此外还可以认为氧化铁型、钛铁矿型和铁锰型焊条脱渣比钛钙型和钛型要差一些的原因。另外，凡含V、A1或Cr的钢，焊接时脱渣性就要变坏，也可以由此得到解释。 熔渣同焊缝金属的膨胀系数相差越大，脱渣性越好。钛型和钛钙型焊条熔渣与低碳钢的膨胀系数相差最大，所以这类焊条在平板上堆焊或薄板对接时非常有利，几乎整条熔渣可以自动翘起脱落。但若在深坡口中焊接或角接时，却往往因氧化因素能使熔渣密实坚硬不脆，而且通常钛型焊条熔渣疏松度只有15左右，焊后熔渣被挤在缝隙中不易脱落。在氧化铁型焊条熔渣中，由于有M

24、nO和FeO，如配方调整不当，渣壳也较实坚硬。（4）焊条焊接时的飞溅 关于飞溅产生的原因，通常认为是由气体爆炸力、电弧力及熔渣表面张力引起的。药皮水分多，药渣太黏，碳烧损剧烈产生气体，电流过大，电弧过长、不稳，熔滴过大等，都会影响飞溅程度，此外由于制造时药粉搅拌不均，也往往会引起飞溅。（5）焊条发尘量及烟气的毒性 我国对焊条发尘量和烟气的毒性问题进行了大量研究工作，并曾规定过酸性焊条发尘量小于7.59kg，碱性焊条发尘量小于159kg，这是因为大量的烟气和有毒气体会严重影响操作工人健康的缘故。国内外对于低尘低毒焊条的研制工作极为重视。 发尘量与药粉的化学性质和物理状态有关，涂料的熔点愈低，挥发

25、性愈强。颗粒度越小以及焊条发气量愈多，则愈易产生粉尘。 气体的毒性可分为两种，一种是细微的蒸发锰产生的毒性，称锰中毒，特点是作用缓慢，但长时间吸入锰尘，就会使人中毒致病而不易治疗；另一种是氟中毒，即当药皮中有大量萤石时，在焊接过程中会有HF气体析出，这种中毒作用较快，也有人认为NaF、KF更易使人中毒致病5。 因此，我们一方面在配方设计中要尽可能减少这些毒物的来源，更重要的是，在使用这些焊条时要注意通风排尘和工人的劳动保护。（6）焊条全位置焊接的适应性 所有焊条都能进行平焊，但对于横焊、立焊、仰焊，有些焊条就不适应了，帮它们的全位置焊接性能不好。在横焊、立焊、仰焊过程中，熔滴不易向熔池过渡，深

26、池金属和熔渣易于向下流，调整熔渣的熔点、黏度、表面张力和电弧吹力等，是解决焊条全位置焊接的措施，以得熔滴过渡到熔池，阻止金属和熔渣下流，高温熔渣尽快凝固。（7）焊条药皮发红焊条药皮发红，是指在正常的焊接电流下施焊到焊条后半段时，由于药皮温升过高而发红、开裂或药皮脱落的现象。这就使药皮失去了保护作用，从而影响焊接质量，浪费焊接材料。不锈钢焊条由于焊芯为镍铬钢芯，电阻大，产生电阻热多，药皮发红尤为突出。解决焊条药皮发红的关键在于调整药皮配方，改善熔滴过渡形态，提高焊条熔化系数，减少电阻热，以降低焊条的表面温升。1.2 碱性焊条在手工电弧焊中的发展现状 碱性焊条是药皮中含有大量碱性氧化物的焊条。由于

27、熔渣的碱度高，对提高焊缝韧性极为有利，故各种高强钢焊条、低温钢焊条均为碱性焊条。碱性焊条的另一大优点是焊缝的扩散氢含量低，抗裂性能优良，故适于大刚性结构和厚板的焊接。碱性焊条的不足之处是焊接工艺性能不如酸性焊条好，主要表现在焊波较粗、焊道呈凸形，有的不适于交流电源，碱性焊条的再引弧性能一般都不好。由于焊缝含氢量低，所以也称为碱性低氢型焊条。对承受动载荷或低温下使用的结构，必须采用碱性低氢型焊条。另外，焊接中、高碳钢和高硫钢等难焊接的钢种，也宜选用碱性焊条。随着工业技术的迅猛发展，高强钢的应用日益广泛，压力容器、锅炉、船舶、重型机械等重要结构对焊缝的综合机械性能的要求日益提高，这样对碱性焊条的利

28、用率也日益增长。但由于碱性焊条的工艺性能差，使得其在应用上受到很大的限制。 E5015焊条是我国目前使用最多的低氢型碱性焊条， 具有较好的工艺性能和内在质量， 主要用于低碳钢及普低钢重要结构的焊接。 随着焊接结构日趋向高参数、高容量、高性能、太型化方向的发展，25015焊条的应用范围将进一步扩大。国产E5015焊条一般采用H08A焊芯，通过药皮过渡台金元素对熔敷金属进行台金化.控制烙敷金属的化学成分对保证其机械性能。提高抗裂纹、抗气孔能力具有重要意义6。E5015焊条熔敷金属的合金元素主要是碳、硅、锰.碳在焊缝中唯一有利的一面是提高强度， 但碳增多焊缝中容易形成气孔和裂皱， 因此必须严格控制锰

29、在提高焊缝金属强度的同时， 还能脱硫，提高焊缝抗热裂能力， 焊缝中的含锰量应大于0.8 ，锰量过高，如超过1.5，则在强度增高的同时，焊缝韧塑性开始下降，所以锰含量应控制在1.3 1.5 以下.硅一方面能提高强度，同时又能降低焊缝金属中的氧，提高抗气孔能力，但过量的硅，如超过0.65，对焊缝的韧塑性不利。如何控制熔敷金属的化学成，分是一个十分重要的问题。业已证明，E5015焊条在正常配制和工艺条件下， 碳主要来自焊芯及药皮中的中碳锰铁，碳在冶金过程中起脱氧作用而被烧损，焊缝渗碳量与焊芯含碳量相比是较少的7；硅主要来自涂料中加入的低硅铁J锰稼来自焊芯外，也出药皮过渡。可见 碳、硅、锰三元紊，只要

30、原材料的含碳量严格控制，焊缝中 含碳量就变化不大，而药皮中台金剂的加入量，对焊缝中Mn与Si扮含量却有较大的影响.基于上述情况，采用正交设计的方法安排试验， 用回归分析处理数据，研究药皮中MnFe，SiFe，TjFe加入量与熔敷金属Mn，St含量的关系.无疑这对控制熔敷金属的化学成分， 指导配方设计具有重要意义。对E5015、E5016等低氢型药皮的焊条来说，主要是改进提高焊条的工艺性能。目前，美国、日本和西欧等国家对于强度等级为490590MPa低合金钢焊条8，限用直流的已很少，大多是交、直流两用，普遍用交流焊接7。我国的E5016焊条的交流稳弧性尚有差距(特别是立焊、仰焊时)，脱渣性和再引

31、弧性能等，也需改进提高。除改进提高低氢型焊条的工艺性能外，对于低氢低合金高强钢焊条来说，总的方向是向高效，超低氢、高韧性和低毒方向发展。当前是通过以下途径来改进焊条的工艺性能的。1.2.1 提高交流稳弧性的途径 a.钾水玻璃作粘结剂或在药皮中加入K的电离电位较低，用钾水玻璃作粘结剂或在药皮中加入C03，可降低电弧空间的有效电离势，有利于电弧的稳定。但钾水玻璃的粘结性不如钠水玻璃，且易使涂料硬化，不利于焊条的压涂，故一般用钾钠混合水玻璃。加入量不宜超过1.5，否则药皮易吸潮并增大飞溅9。 b.改进配方，加入1020的铁粉和少量铝镁合金，这将会提高电弧空间的稳定，降低有效电离电位，有利于电弧的稳定

32、燃烧。国外的一些交流低氢型焊条，就是综合上述两项技术措施制造而成的。 c.用MgF2代替CaF2，用这种方法不仅可以明显地提高电弧稳定性，而且使脱渣性、焊缝成形和抗气孔能力也得到了改善。 d.加入少量CsCO，或铝粉，配方中加入少量CsC03(O.11)或铝粉(0.53)。 e.降低药皮熔点，适当降低药皮熔点，缩短药皮套筒的长度。f.采用双层药皮，近年来瑞士、日本等国已开始生产和应用双层药皮低氢型焊条。在用交流电源施焊时，具有优良的工艺性能和较高的熔敷效率，我国有的焊条生产厂家也已引进了可生产双层药皮焊条的设备。1.2.2 改进脱渣性的途径 a.提高熔渣的线膨胀系数，在通常的低氢型焊条配方中加

33、入1'-10的油页岩或各加0.5一5，即可达到提高熔渣线膨胀系数，改善脱渣性的目的10。b.形成松脆的多孔熔渣，一般低氢型焊条熔渣比较致密，在坡口内脱渣较为困难，据有关试验表明，药皮配方中增大CaF2的加入量(>38)，并以铝镁合金为主要脱氧剂或加入1230的BaC03，均可形成松脆多孔的熔渣，改善脱渣性。1.2.3 提高引弧的途径一般低氢型焊条普遍存在引弧性较差和引弧处易产生气孔的问题。为解决此问题，可采用对焊芯端部进行特殊加工，减少有效面积，提高电流密度；调整药皮配方；采用管状焊芯制造焊条等，应指出：行之有效使用最为广泛的方法是，在焊条引弧端涂制引弧剂。1.2.4 发展高效焊

34、条的途径 高效不仅是低氢型焊条的发展方向，也是其他各类型焊条发展的方向。发展高效焊条的主要途径是发展高效铁粉焊条，提高熔敷效率和发展各种专用焊条，如底层焊条、立向下焊条、管接头全位置向下焊条等。1.2.5 焊条降尘、降毒的途径 a.降低氟石配比，降低低氢型焊条药皮中氟石的配比或采用其他氟化物代替；是降尘降毒的主要途径。 b.以镁代钾，在低氢型焊条药皮中，用镁代钾作稳弧剂，可有效地降低烟尘的毒性。c.降低钾钠水玻璃用量，采用各种办法尽量降低钾钠水玻璃用量，如采用低浓度、低模数的水玻璃或用锂水玻璃或者其他类型粘结剂，全部或部分代替钾钠水玻璃，可去得良好效果。在低尘低毒焊条研制方面，日本处于领先地位

35、，二十世纪六十年代日本就已研制成功低尘焊条，如BM系列(六十年代)，ZERODE系列(七十年代)，我国开展低尘焊条研究较晚，七十年代后期，高等院校，科研机构和焊条生产厂家合作开展了低尘焊条的研究，并开发了低尘低毒碱性焊条11，从早些时候制定的卫生指标可以看出，我国低尘低毒焊条与日本的产品还有差距，还有待于进一步加强这方面的工作。1.2.6 焊条设计及制造的工艺探讨 制造高质量的焊接结构，不仅要选择焊接性优良的母材，同时必须具有优质的焊接材料(包括焊条、焊剂、焊丝和保护气体)。焊接材料的优劣，不仅直接影响焊接接头的质量，还会影响到焊接生产率、产品成本及焊工的身体健康等。因此，在对焊接材料的性能和

36、特点有比较全面了解的基础上，选择合适的原材料配方，严格按照工艺流程制作，并进行质量检验是获得优质焊接材料的重要保证12。 以上简单介绍了焊条的组成一焊芯和药皮；介绍了焊条的工艺性能及其影响因素：焊条的稳弧性、焊缝成型、焊条的脱渣性、焊条焊接时的飞溅、焊条发尘量及烟气的毒性、焊条全位置焊接的适应性和焊条药皮发红情况。为研制焊条提供理论知识。 本文研究主要内容有根据焊条药皮的配方，确定几组不同的药皮配方设计，并分别制出焊条，分析不同药皮成分的碱性焊条与样品的焊接工艺性的不同，用碱性焊条冷焊灰铸铁或低碳钢并对试样进行熔敷金属组织及金相组织等分析。第 2 章 试 验 过 程2.1试验焊条的制作2.1.

37、1焊条制作前的准备（1）选定焊芯选用低碳钢焊芯H08A，直径为4mm，H08A化学成分如下表2.1所示：表2.1 H08A焊芯化学成分-CSiMnPSNiCr焊芯H08A0.100.030.300.550.030.030.300.20（2）药皮成分配比 药皮成分配比率如表2.2所示表2.2 药皮成分配比成分（g）金红石中锰大理石萤石云母钛铁硅铁长石含3）水玻璃的准备焊条用水玻璃主要是使用液体水玻璃。纯净的液体水玻璃，应是无色透明的液体。当含有少量悬浮物时，影响其透明度而呈混浊，常见的水玻璃溶液多呈青灰色，黄绿色或微红色。同时模数是水玻璃性能的重要参数，对焊接制造工艺和

38、焊条性能有极大的影响，它不仅决定着水玻璃的粘结性能，而且对水玻璃的蒸发速度及固化有很大的影响。而液体水玻璃的浓度，是由其中含水的多少来决定，当加入水多时浓度低，粘性低。当然，液体水玻璃的浓度也与温度有关，当温度升高时浓度会降低，温度低时浓度则会增大。而一般所讲的浓度是指20时所测定的浓度。由于水玻璃的这些特性，经过分析，综合考虑在本课题中选用的是钠水玻璃，水玻璃的模数为2.853.00。（4）试验器材FN202-2型电热干燥箱，最高温度300，电压220；HCT12B5架盘药物天枰，最大称重500g，分度值0.5g；ZXE-315 AG/DG Arg welder，焊接电流最大范围0-400A

39、；小勺，杯子，水玻璃，干净的玻璃，手套，切割机，游标卡尺。2.1.2实验过程 （1）配料：参考E5015铸铁焊条的配方，用天平和小勺称量大理石40g，萤石30g，钛铁8g，金红石15g，中碳锰铁8g，45硅铁6g，云母2g，长石2g。（2）干混：将称出的各药粉混在一起轻轻搅拌至均匀为止，要求药粉颜色一致，不得出现块状，粒状，并放置30分钟左右。（3）湿混：逐渐加入适量水玻璃，用手轻轻搅拌，直到可以形成面团状放置1小时左右，使之混合均匀。在此期间，用砂布打磨直径为3.2低碳钢H08的焊芯表面的氧化皮。（4）搓制：将湿混好的湿粉沿焊芯长度方向均匀涂敷，再用双手使焊芯在玻璃板上轻轻滚动，使药皮逐渐牢

40、固粘在焊芯上。将搓制好的焊条放置1-2天，使之凉干。（5）烘干：将凉干的焊条，放进电热干燥箱内在300-350烘干1-2小时。 烘 烘 干 干 前 后（1） （2）图2.1 制备的焊条2.2 焊接工艺性 焊材的工艺性能是决定焊材好坏的重要评价标准，碱性焊条的工艺性能显得更重要，问题也更复杂。通常对碱性焊条的焊接工艺性能的评定标准主要包括以下几个方面：焊接电弧稳定性、气孔敏感性、熔滴过渡形式、焊接飞溅、熔渣的覆盖性及脱渣性、焊条发红开裂情况、全位置焊接性等。（1）熔滴过渡及其机理：在电弧力的作用下，焊条端头的熔化金属形成熔滴，受到各种力的作用向母材过渡，称为熔滴过渡。熔滴过渡是弧焊过程中重要的电

41、弧物理现象，它不仅影响焊条的工艺性能，而且对焊接化学冶金、焊缝成型和焊缝的性能都产生重要的影响。（2）焊接飞溅：在焊接过程中，一部分的金属飞离熔池从而形成飞溅。飞溅能够影响焊缝的表面成型，恶化焊材工艺性能，是衡量焊材工艺性能的重要指标之一。飞溅的大小和熔滴过渡行为、焊接工艺参数、电源特性等因素有关。许多学者对飞溅产生的原因进行了深入的研究。总的说来，飞溅的产生主要是由于气体爆炸力、电弧力及熔渣表面张力引起的。如钛钙型偏碱性的不锈钢焊条，其中大理石CaCO3 在600开始分解并释放出CO2 气体13，若分解过程急剧便会产生爆炸飞溅。又如熔滴过渡时表面生成了氧化膜，而熔滴内部金属过热产生的蒸汽压力

42、足够大时，也会引起爆炸飞溅。通常情况下，焊接飞溅的研究与熔滴过渡形式的研究是分不开的。（3）焊接电弧稳定性：焊条电弧燃烧是一个复杂的电弧物理和化学冶金过程。所谓电弧稳定状态，是指在边界条件不变时，电弧中所进行的电、热物理及化学冶金过程均处于相对平衡状态。焊条的稳弧性可由电弧引燃难易和易燃后电弧的状态来评定。影响焊条焊接电弧稳定性的因素很多，主要有：渣系中的各种组分、焊接电流、电弧电压。（4）焊缝脱渣性及熔渣覆盖性：脱渣性即去除焊缝表面所覆盖的凝固状态的焊渣的难易程度。焊条的脱渣性是评定焊条质量的的主要指标之一。脱渣性的好坏，直接影响着焊接的生产率以及焊缝的质量。药皮的化学成分决定了熔渣的微观结

43、构和类型，从而直接决定了熔渣脱渣性的好坏。因此在脱渣性的研究中，学者着重研究的是脱渣性和熔渣微观结构的关系。熔渣覆盖性即熔渣是否均匀的覆盖在焊缝上，熔渣覆盖性的好坏对于焊接工艺性能有着重要的影响，覆盖均匀的熔渣有利于提高焊缝表面的成型质量，有效的阻止焊接气孔产生。熔渣覆盖性主要受以下几个因素的影响：熔渣的粘度、熔渣的熔点、表面张力等。（5）气孔：在焊接中产生的气孔是焊接的重要缺陷，一般是氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔。由于不锈钢焊条熔敷金属的含碳量都很低，一般产生CO 气孔的可能性极小，在含氮类不锈钢中容易产生氮气孔14。因此大部分不锈钢的焊接气孔为氢气孔。气孔生成机理的复杂性和未知性，同时也表

44、明深入研究气孔生成机理的必要性和重要性。（6）焊条药皮发红开裂：药皮温升开裂是不锈钢焊条特有的一类问题，是指在正常的焊接电流下施焊到焊条后半段时，由于药皮升温过高而发红开裂或药皮脱落的现象。焊芯和药皮温度升高的主要能量是由于焊接电流通过焊芯时所产生的电阻热。药皮的发红开裂，使药皮失去了保护作用和冶金作用，从而影响焊接质量，浪费焊接材料。（7）焊条的其它工艺性能：焊条的全位置焊接的适应性也是评价焊条工艺性能的重要指标。所有的焊条都能平焊，但由于部分焊材熔滴容易下流，不易于向熔池过渡，从而不适合全位置的焊接15。因此调整熔渣的熔点、粘度、表面张力等，以利于熔滴过渡到熔池，防止熔滴下流，使高温熔渣尽

45、快凝固，是目前解决焊条全位置焊接的主要措施。其中粘度对焊条的焊接方式有着最为重要的影响。2.3 熔敷金属与焊缝金属焊材（焊条、焊丝等）生产单位提供的焊接材料产品性能介绍资料及质量保证书中，其理化性能是指熔敷金属的化学成分和力学性能。这主要是考虑一种焊材（即填充金属）往往可以焊接多种母材，就会得到多种不同性能。为了解和检验焊材本身的性能，就有必要取得焊接材料本身熔化后未经母材稀释的那部分金属，即所谓的“纯”焊缝金属，称为“熔敷金属”。而焊接接头的焊缝金属一般由熔化的母材和填充金属凝固后形成的那部分金属，即两者的混合物。为了取得熔敷金属，可以有以下几种途径：在平板上作多层多道堆焊，去距离母材表面8

46、mm以上的金属；对于开坡口的对接焊试板，将间隙加大到12mm，或在坡口边缘用性能相同或相近的焊材先预堆焊隔离层，隔离层厚度加工不小于3mm，再进行焊接。取中间部分的金属，来代表“纯”的焊缝金属。而实际工程上，焊接接头的设计不可能采用如此大的间隙，一般间隙仅为03mm，故焊缝金属是焊接材料熔化后的填充金属与母材的混合物。这就造成熔敷金属与接头焊缝金属两种金属性能上的差异16。 焊缝、热影响区、母材的金相组织是由不同组织组成的，组织组成物可能是一种或多种。在组织组成物中，某一组成物可以是单一相，也可以是两相或多相混合组成或化合物。下面介绍下不同组织的形态和性能。 铁素体：碳与合金元素溶解在a-fe

47、 中的固溶体。亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。珠光体：铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。 珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。在A1650形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。在650600形成的珠光体用金相显微镜放大500 倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。在600550形成的珠光体用金相显微镜放大500 倍，不能分辨珠光体片层，

48、仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000 倍才能分辨的片层称为屈氏体。 马氏体碳在a-fe 中的过饱和固溶体。板条马氏体：在低、中碳钢及不锈钢中形成，由许多相互平行的板条组成一个板条束，一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束（通常3到5 个）。片状马氏体（针状马氏体）：常见于高、中碳钢及高镍的铁-镍合金中，针叶中有一条缝线将马氏体分为两半，由于方位不同可呈针状或块状，针与针呈120o 角排列，高碳马氏体的针叶晶界清楚，细针状马氏体呈布纹状，称为隐晶马氏体。使用4XB-TV 倒置金相显微镜，在400 倍的放大倍数下观察组织，并结合材料的化学成分确定出试样各区域的金相组织。 在获取焊接接头

49、试样后，首先进行接头组织金相的观察，获取母材、焊缝区以及HAZ等区域的金相图，根据接头不同区域的金相组织的不同，分析其各自组织成分及性能上的变化。观察不同区域的金相图时，主要看相图所显示的组织形态，晶粒大小，是否存在明显的裂纹等等。如果出现焊接缺陷，应分析缺陷的种类，产生原因，改进方法等，并结合焊接不同区域的硬度值对其性能上的比较与分析。熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发生局部熔化，并与熔化了的焊丝金属搅拌混合形成了熔池，与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应。当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝固。熔池凝固过程对焊缝金属组织、性能、具有重要影响。由于熔池中的冶金条件和冷却条件的不同，可能得到

50、性能差异甚大的组织。熔池结晶一般分为晶核的形成和晶核长大两部分。而焊接条件下的凝固结晶的形态从融合线到焊缝中心一般为平面晶、胞状晶、树枝柱状晶和等轴晶。完成凝固以后，随着连续冷却过程的进行，焊缝金属将发生组织转变。转变后的组织是根据焊缝的化学成分和冷却条件而定17。2.4 焊条药皮成分设计 本课题试验焊条的药皮配方大致由大理石、萤石、石英、纯碱、低碳锰铁、45#硅铁、钛铁、290铁粉、钠水玻璃等组成。各成分作用见表2.3表2.3焊条药皮材料的作用材料稳弧造气造渣脱氧脱氢合金粘结稀渣增氧增效大理石BAABB萤石AAA石英ABA纯碱AB锰铁AAB硅铁AAB钛铁AB铁粉BBA水玻璃ABAA 注：A-

51、主要作用；B一次要作用 由于低氢型焊条的力学性能较好而工艺性能较差，同时焊条的工艺性能主要决定于焊条药皮的组成，现在通过对药皮成分的分析，总结出大理石在焊接过程中对工艺性能将起着至关重要的作用，而大理石在焊条中主要起造渣，造气和稳弧的作用。故此，在原配方基础上对药皮中的添加比例进行改变时，焊条的焊接工艺性能(电弧稳定性、焊缝脱渣性、再引弧性能、焊接飞溅率、熔化系数、焊条熔敷效率等)必将发生变化，届时通过多组焊条进行试验分析，从中筛选出焊条力学性能和工艺性能均为较优异的焊条。2.4.1 试验内容及技术方案（1）试验内容通过测定焊条的机械压涂性能，焊条药皮强度、焊条药皮耐潮性，焊条工艺性能，焊条力

52、学性能以及熔敷金属的化学成分等，对试验数据进行分析总结，可以从众多组中筛选出焊接工艺性能和力学性能均较好的焊条，同时可以确定此组焊条最佳配比剂量。具体步骤如下：焊条的制备 整个焊条制作的主要流程为配粉、拌粉、压涂、磨头磨尾、烘焙等。相关性能的测试与评定a.在焊条压制过程中对机械压涂性能进行评定，可以从焊条药皮均匀度，偏心度及表面光洁度进行焊条药皮压涂性能的评定。b.依照标准，对焊条外观质量，焊条药皮强度以及焊条药皮耐潮性进行测试和评定。c.GX型一高温物性测试仪对所制备焊条的药皮进行熔化温度测试。d.依照JBT8423一1996进行焊条工艺性能的评定，评定项目包括电弧稳定性、焊缝脱渣性、再引弧性能、焊接飞溅率、熔化系数、焊条熔敷效率等。e.汉诺威对所压制的系列焊条依次进行电参数测试，包括电压概率密度分布、电流概率密度分布、短路时间T1、燃弧时间T2、加权燃弧时间T3、电压和电流均方差等，来客观评定焊接工艺性能。f.依照国家标相关准进行力学性能评定，包括焊接接头冲击试验，焊缝及熔敷金属拉伸试验。g.在尺寸为300mm×lOOmmX 20mm的钢板上进行堆焊，对其进行熔敷金属化学成分的测定。2.5 E5015碱性焊条试验